課程設(shè)計--基于shcan2000現(xiàn)場總線設(shè)計的鍋爐監(jiān)控統(tǒng)

1、<p>　　網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)課程論文</p><p>　　專業(yè):測控技術(shù)與儀器</p><p><b>　　姓名:林 治 冰</b></p><p>　　學號:0803020317 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 鍋爐現(xiàn)場總線控制系

2、統(tǒng)的硬件體系1</p><p>　　2 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件體系2</p><p>　　2.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件 FIX3</p><p>　　2.2 SHCANI/O ——I/驅(qū)動程序3</p><p>　　2.3 SHCANCFG —— SHCAN 下載與調(diào)試工具3</p><p>　　2.4 SHCA

3、N 智能測控組件組態(tài)軟件3</p><p>　　3 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)3</p><p>　　3.1 鍋爐溫度回路的控制3</p><p>　　3.2 爐膛負壓回路4</p><p>　　3.3 出水壓力控制回路5</p><p><b>　　4 結(jié)束語5</b>

4、</p><p><b>　　參考文獻5</b></p><p>　　基于SHCAN2000現(xiàn)場總線設(shè)計的鍋爐監(jiān)控統(tǒng)</p><p>　　摘要: 本文闡述了一種鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計理論和實現(xiàn)方法，從硬件和軟件兩方面分別做了論述，從實際運行結(jié)果來看，該系統(tǒng)提高了控制的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，具有 廣闊的應用前景。</p>

5、<p>　　關(guān)鍵詞: 鍋爐控制；現(xiàn)場總線控制；</p><p><b>　　引言:</b></p><p>　　我國現(xiàn)有中小型鍋爐30多萬臺，每年耗煤量占我國原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè) 和民用鍋爐仍處于效率低，環(huán)境污染嚴重，安全系數(shù)低的生產(chǎn)狀態(tài)。為了提高鍋爐的熱效 率，降低耗煤量，采用鍋爐的自動控制系統(tǒng)日益廣泛，作為鍋爐的控制裝置，其主要任務是 保證

6、鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕工作人員的勞動強度。綜合考慮，我們采用 SHCAN2000 總線控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對鍋爐的控制。SHCAN2000 總線控制系統(tǒng)是基于 CAN 總線的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），由于鍋爐控制系統(tǒng)對實時性和控制的可靠性要求較高，所以軟件的要求也較高，而Intellution公司的FIX監(jiān)控軟件能滿足這些要求。本文針對大連金源小區(qū)供熱系統(tǒng)中兩臺 20 噸低壓熱水鍋爐的特點，以FCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹了一套鍋爐現(xiàn)場總

7、線監(jiān)控系統(tǒng) 方案，從實際應用中取得了比較好的控制效果。</p><p>　　整個系統(tǒng)工作原理為：從控制現(xiàn)場來的4-20mA或1-5V的標準信號，送至SHCAN2000型現(xiàn)場控制單元。信號在其中經(jīng)處理后可由其AO或DO端口輸出，經(jīng)信號調(diào)理模塊去控制現(xiàn)場設(shè)備；也可根據(jù)需要發(fā)送到CAN總線上，總線上其它現(xiàn)場控制單元或上位機系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)計好的驗收碼和驗收屏蔽碼，來判斷是否接收該信息。傳送到上位機的信息，可以通過上位機監(jiān)

8、控軟件進行顯示、控制、記錄以及報警、打印等。</p><p>　　1 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的硬件體系</p><p>　　SHCAN2000總線控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)（DCS），它具有DCS的先進技術(shù)和完善的功能，特別適用于中、小型裝置的生產(chǎn)過程控制，它是計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)綜合利用的結(jié)果，是新一代的全數(shù)字、全分散、全開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)計思想為：從現(xiàn)場傳感器

9、（鉑電阻、壓力變送器等）測得的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊（溫度變 送器、輸入端安全柵等）送至智能控制單元，在智能控制單元中經(jīng)過運算處理后，形成控制信號?？刂菩盘栐俳?jīng)信號調(diào)理模塊（溫度變送器、輸入端安全柵等）返送至現(xiàn)場執(zhí)行器（電磁閥、切斷閥等）。不同的智能控制單元作為控制中心可以通過CAN總線互相通信，并可以將需要監(jiān)控的信號送至上位機，實現(xiàn)人機交互。</p><p>　　SHCAN2000總線控制系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成：最底層

10、為低速現(xiàn)場總線連成的控制網(wǎng)絡(luò)，連接各種智能儀表及調(diào)節(jié)閥等現(xiàn)場設(shè)備，各控制器節(jié)點下放到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底的分布式控制體系結(jié)構(gòu)；中間的一層采用中速網(wǎng)連接控制器、遠程 I/O 及智能 I/O 設(shè)備，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；最上一層即決策層，采用高速以太網(wǎng)連接各種控制器和站級計算機。如圖 1 所示：</p><p>　　SHCAN2000 型系統(tǒng)的總線通信標準采用 CAN2.0B。CAN 總線的短幀結(jié)構(gòu)、CRC 校驗以及錯誤節(jié)點自

11、動關(guān)閉功能，保證了信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诓僮髡疽粋?cè)，工業(yè) PC機通過網(wǎng) 卡作為數(shù)據(jù)緩沖與CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接；在現(xiàn)場控制單元一側(cè)，數(shù)據(jù)緩沖由SJA1000和82C250芯片組成的標準CAN總線接口來實現(xiàn)。CAN總線通訊軟件完成上位機與實時數(shù)據(jù)庫之間、任意兩個實時數(shù)據(jù)庫之間的雙向數(shù)據(jù)交換，當任意兩個SHCAN 智能測控組件的實時數(shù)據(jù)庫之間交換數(shù)據(jù)時，不需要上位機的干預，并符合 ISO11898 標準和 CAN2.0B 技術(shù)規(guī)范，最 大通信速率

12、1Mbps，最遠通訊距離達 10Km。</p><p>　　圖1鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)硬件體系</p><p>　　SHCAN 型智能測控組件是直接完成采集和控制功能的智能單元，可單獨運行，作為獨立的回路調(diào)節(jié)器，也可將該組件放在現(xiàn)場附近，通過網(wǎng)絡(luò)組合成一個完整的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。每個SHCAN 智能測控組件都固化有不同的采集和控制軟件，可通過實時組態(tài)和參數(shù)設(shè)置完成不同功能組合、過程信號的采

13、集、工程量轉(zhuǎn)換、信號補償、線性化處理、PID運算、自動報警、故障自診斷、PID參數(shù)自動整定等等。</p><p>　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)“功能全分散”的特點，使現(xiàn)場控制單元成了控制系統(tǒng)的核心。SHCAN2000 型現(xiàn)場控制單元采用了由實時多任務操作系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件、任務級組態(tài)軟件、實時數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的現(xiàn)場智能測控儀表軟件組成集成技術(shù)，支持在線組態(tài)。</p><p>　　2 鍋爐現(xiàn)場總線控制系

14、統(tǒng)的軟件體系</p><p>　　鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)軟件體系由下述四部分構(gòu)成，如圖2所示</p><p>　　圖2鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的軟件體系</p><p>　　2.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件 FIX</p><p>　　SHCAN2000系統(tǒng)選用美國Intellution公司的FIX DMACS作為組態(tài)軟件完成人機界面（MMI）和數(shù)據(jù)的操作管理

15、，軟件操作平臺采用 Windows 98,它集控制技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù) 據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，包含靜態(tài)編輯、動態(tài)顯示、報警、歷史曲線、報表打印、控制網(wǎng)絡(luò)通信等多種功能，為客戶提供了一個良好的人機交互界面，為實現(xiàn)控制的實時性提供了可能。</p><p>　　2.2 SHCANI/O ——I/驅(qū)動程序</p><p>　　SHCANIO 是 FIX DMACS 與 CAN 網(wǎng)卡連接，進而與網(wǎng)

16、絡(luò)上 SHCAN 智能測控組件連接的軟件 模塊。SHCANIO 是使用 Intellution 公司提供的 I/O 驅(qū)動程序?qū)Ｓ瞄_發(fā)工具（ITK）開發(fā)的 高性能 I/O 驅(qū)動程序。它與常規(guī) DDE 動態(tài)數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)的驅(qū)動程序相比較，具有較高的實時 性能和更加完善的功能。</p><p>　　2.3 SHCANCFG —— SHCAN 下載與調(diào)試工具</p><p>　　SHCANCFG 是

17、一個基于中文 WINDOWS95/98/NT 上的下載與調(diào)試工具，它通過 CAN 總線，能對 SHCAN2000 上的每一個智能儀表測控組件進行組態(tài)、參數(shù)編輯、下載、上傳、 管理和實時監(jiān)控。</p><p>　　2.4 SHCAN 智能測控組件組態(tài)軟件</p><p>　　SHCAN 智能測控組件組態(tài)軟件是嵌入在 SHCAN 智能儀表中的組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、控制、輸入、輸出和通訊的模塊。<

18、;/p><p>　　3 鍋爐現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　整個供熱系統(tǒng)包括 2 臺 20t/h 鍋爐，兩臺鍋爐生產(chǎn)的熱水匯總后經(jīng)由小區(qū)各住戶的供熱裝置，經(jīng)換熱后，返回到鍋爐循環(huán)加熱，燃燒方式為火床中的拋煤鏈條爐，它主要有鍋爐主 體、出水總網(wǎng)、回水總網(wǎng)等幾部分組成，此外，還有引風機、鼓風機、爐排電機、循環(huán)泵、除塵器等輔助設(shè)備。要滿足供暖的需要，首先必須保證鍋爐回水溫度

19、和出水流量的穩(wěn)定，其 次要保證爐膛壓力維持在一定范圍，以保證生產(chǎn)的安全性和燃燒的經(jīng)濟性，因此鍋爐的被控 對象可以確定為鍋爐的回水溫度，爐膛負壓，總網(wǎng)的出水壓力（其決定出水流量），下面根 據(jù)三個回路各自的特點分別闡述如下：</p><p>　　3.1 鍋爐溫度回路的控制</p><p>　　從控制理論的角度分析熱水鍋爐，它是一個多變量、非線性、分布參數(shù)的和帶時延的復雜對象，它有多個被控變量（

20、溫度、爐膛負壓等）和調(diào)節(jié)變量（煤量，鼓風量和引風量等）相互之間存在交叉影響，還有媒質(zhì)，環(huán)境溫度和水流量等諸多因數(shù)，不難分析燃燒對象具有 大的純滯后，特別是回水溫度回路，其滯后時間與PID時間常數(shù)相比更大，在傳統(tǒng)的PID控制回路中，其中有三個重要的參量：SP（被控量的設(shè)定值），PV（被控量的實際值），OP（PID的操作輸出），一般根據(jù) SP 和 PV 的偏差 E 通過 PID 運算得到 OP 輸出，進而控制現(xiàn)場 的相應設(shè)備來調(diào)節(jié)溫度，使其

21、逼近 SP 值，當設(shè)定回水SP后，由于回水溫度回路滯后時間比較長，其起作用的效果至少要等2 個小時才能得到，（這主要取決于小區(qū)供熱面積），這樣大的滯后必然會帶來系統(tǒng)大的超調(diào)，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這樣我們采用控制鍋爐的出水溫度，但是為了保證鍋爐回水溫度達到要求，出水溫度的SP值要受到回水的控制，在這里我們采納仿人智能控制的思想，通過軟件實現(xiàn)對出水溫度SP值的設(shè)定，其實現(xiàn)方法如圖 3 所示：</p><p>　　回

22、水SP根據(jù)供暖要求一般由供暖曲線給出，即根據(jù)室外的溫度按曲線給出回水溫度的SP預定值，然后將其和回水的實際值PV相比較，如果其絕對值大于偏差上限值△max，那么如果其值大于0，則把出水的SP值設(shè)為SP的最小值，否則設(shè)為最大值，如果不大于偏差上限△max，那么如果其值大于0，則把出水SP設(shè)定為當前值減去一個偏移量，否則加上偏 移量。通過這樣設(shè)定出水SP，不僅可以避免系統(tǒng)的超調(diào)太大，而且大大縮短了調(diào)節(jié)時間。</p><p

23、>　　此外，由于影響出水溫度高低的因素有三個，它們分別為加煤量，鼓風量，和爐排電機速度，而且三者之間存在比例關(guān)系，只有分配好這三者關(guān)系，鍋爐才能安全、經(jīng)濟、有效的運行，所以，出水溫度PID控制回路的輸出OP值最終要分配給這三者，即：</p><p>　　加煤量OP1=K1*OP+D1</p><p>　　鼓風量OP2=K2*OP+D2</p><p>　　爐排

24、電機OP3=K3*OP+D3</p><p>　　當調(diào)節(jié) K1、K2、K3、D1、D2、D3 六個加權(quán)系數(shù)便可以保證鍋爐的經(jīng)濟有效運行。</p><p>　　圖3出水SP設(shè)置方框圖</p><p>　　3.2 爐膛負壓回路</p><p>　　為了保證爐膛內(nèi)粉煤有效的燃燒，爐膛內(nèi)部壓力是一個重要的參數(shù)，一般爐膛負壓控制 在-200Pa~200

25、Pa 范圍之內(nèi)，影響爐膛負壓的因素主要是鼓風量和引風量，下面分別介紹兩者的控制方案：</p><p>　　對于鼓風量，我們可以采用常規(guī)的 PID 控制，但是煤量的變化是鼓風控制的一個大的干擾，如果鼓風的調(diào)節(jié)滯后于煤量的變化，那么勢必會造成冒黑煙現(xiàn)象，嚴重污染環(huán)境，采用的解決方法是把煤量作為鼓風控制的前饋量，這樣可以實現(xiàn)當煤量變化后及時改變鼓風量進行調(diào)節(jié)，值得說明的是，當煤量增加時，提前增加鼓風量這是應該的，但是當

26、煤量減少時， 卻不能立即減少鼓風量，這樣同樣會因為鼓風不足，造成冒黑煙，因此必須做出一個判斷， 判斷加煤量 OP1值是增加還是減少，如果加煤量OP1值增加那么立即增加鼓風量OP2值，如 果加煤量OP1值減少那么要等待一段時間，然后在減少鼓風量OP2值。</p><p>　　控制爐膛負壓我們主要控制引風量的大小，在這里爐膛負壓作為被控對象，當然這是在 鼓風量一定的狀態(tài)，那么當鼓風量發(fā)生變化的時候，對于引風量的控制同

27、樣可以參照鼓風控制的方案，在這里是把鼓風量作為引風控制的前饋量，當鼓風OP值增加時立即增加引風 OP 值，但當鼓風OP減少時，卻要等待一段時間，然后再減少引風OP值的大小。</p><p>　　3.3 出水壓力控制回路</p><p>　　此回路控制小區(qū)供熱管網(wǎng)的水流量，主要通過控制循環(huán)泵的工作情況來改變流量的大小，采用常規(guī)的PID控制很容易實現(xiàn)，在此不做贅述。</p>&l

28、t;p><b>　　4 結(jié)束語</b></p><p>　　運用本系統(tǒng)進行冬季供暖實際情況來看，采用本文提出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)了鍋爐的安全、經(jīng)濟、有效的運行，為小區(qū)節(jié)省了 20%的原煤，而且大大改善了鍋爐操作人員的工作環(huán)境，減輕的勞動強度，達到了供暖工程改造的預期目標。</p><p><b>　　參考文獻</b></p>

29、<p>　　[1] 鄭金吾等，梁道君，燃煤低壓熱水鍋爐測控系統(tǒng)設(shè)計與研究，工業(yè)控制計算機，2001年14卷第6期</p><p>　　[2] 袁愛進，現(xiàn)場智能測控儀表軟件集成技術(shù)的研究，儀器儀表學報，2001年第2期</p><p>　　[3] 郝曉華，馬向華，論現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，自動化與儀表，2001年第 3 期</p><p>　　[4] SHCAN